日本广岛大学研究生院理学研究科教授木村昭夫的研究团队与俄罗斯圣彼得堡大学和西班牙多诺斯蒂亚国际物理中心等开展了国际合作研究，利用广岛大学放射光科学研究中心基于高亮度同步辐射光和激光的角分辨光电子能谱法，全球首次发现了“反铁磁拓扑绝缘体”。此次的研究成果有望加速观测未知基本粒子轴子引起的拓扑电磁效应等新量子现象。
相关研究成果预定发布在英国科学期刊《Nature》上，网络版已率先公开。
【研究背景】
不同于普通绝缘体的特殊绝缘体——拓扑绝缘体的发现受到了广泛关注，并成为2016年的诺贝尔物理学奖的获奖发现。拓扑绝缘体虽然物质内部是不导电的绝缘体，但表面表现出金属的性质。最近5年相关研究取得了巨大进展。通过为拓扑绝缘体增加磁铁的功能，预测并发现了全新的现象。
此次新发现的现象之一被称为量子反常霍尔效应，通过在拓扑绝缘体中混入少量磁性元素，可以在没有外部磁场的情况下沿着样本的边缘产生无摩擦电流。另一个是拓扑电磁效应。一般来说，施加电场发生电极化，施加磁场发生磁化。但拓扑电磁效应是在电场中发生磁化，在磁场中发生电极化的现象。
此前虽然在理论上预测到了这些颠覆常识的效应会在反铁磁拓扑绝缘体中出现，但一直没有发现相关物质。
【研究成果】
此次，研究团队首先利用高级理论计算法预测MnBi2Te4可能是反铁磁拓扑绝缘体。然后制作了MnBi2Te4的单晶样本，通过调查其结构、磁性和电气特性确认，该物质为层状反铁磁材料。接下来利用广岛大学放射光科学研究中心的同步辐射光，通过角分辨光电子能谱对该样本进行了实验，直接观测到了该物质表面产生巨大能隙的狄拉克电子状态。由此，本次研究全球首次成功实现了反铁磁拓扑绝缘体。
图1：（a）反铁磁拓扑绝缘体候选物质MnBi2Te4的晶体结构和（b）理论计算得出的表面能带结构。
（a） 如方框中所示，该物质以由碲、铋、锰（中央）原子层构成的7层块体为基本单位，以较弱的力层叠在一起。各块体的锰层的磁矩在各块体中上下交替排列，形成不具备净磁化的“层状反铁磁性”。
（b） 理论计算预测，存在于体能带（绿色）能隙中的自旋极化表面能带上有巨大的能隙（86meV）。
图2：通过角分辨光电子能谱观测到的MnBi2Te4的表面能带结构。
利用基于广岛大学放射光科学研究中心的高亮度激光的角分辨光电子能谱法，观测了反铁磁拓扑绝缘体候选物质MnBi2Te4的表面能带结构。结果如图1所示，在具有拓扑绝缘体特征的直线性狄拉克表面相交处观测到了能隙。由此，全球首次通过实验和理论两方面证明了MnBi2Te4是反铁磁拓扑绝缘体。
论文信息
题目：Prediction and observation of an antiferromagnetic topological insulator
期刊：《Nature》
DOI：10.1038/s41586-019-1840-9
文：JST客观日本编辑部翻译
